固液界面吸附机制与模型——“环境水质学前沿专栏”序言

固液界面吸附是环境水化学及水处理技术研究中的一项重要内容.本文阐述了目前固液界面吸附研究方面取得的主要进展,对吸附剂表面性质、吸附络合物形态、表面反应描述中使用的一些重要实验技术、理论计算方法和模型模拟手段进行了系统的介绍,并展望了固液界面吸附研究的发展趋势.表面表征技术、理论计算及表面络合模型的发展、应用和结合有力地促进了人们对各种固液界面体系吸附机制的深入理解,对于阐明污染物在水环境中迁移转化规律,及开发新型吸附剂有着重要的科学意义.     

沉积物颗粒表面分形特征的研究

通过一阶分子连接性指数^1X与分子表面积TSA之间的相关性计算出吸附分子的尺度，采用分形吸附等温线法计算出妫河沉积物的Ds为2．379，官厅沉积物的Ds为2．836．基于沉积物对N2的吸附．脱附等温线数据，采用FHH(Frenkel-Halsey-Hill)方程计算出两种沉积物的表面分形维数Ds，发现官厅沉积物与妫河沉积物的Ds相差不大；温度影响Ds主要是由于升温改变了沉积物的组成与结构．在本实验中采用热力学模型(thenmodynamic model)计算出的Ds值大都超过3．此外，沉积物的Ds与其比表面积、矿物含量、CEC、有机质的相关性差．以萘、菲、芘作为码尺计算出的Ds并不完全是表面空间填充能力的客观表现，而是表面吸附过程的一个重要的综合性特征参数．     

光助电催化降解偶氮染料酸性橙II的降解过程研究

使用自制的具有电催化活性和光催化活性TiO2改性的β-PbO2电极,研究了光助电催化氧化过程、电催化氧化过程和光催化氧化过程对于偶氮染料酸性橙II的降解.用紫外可见光谱和高效液相色谱分析了3种降解过程中不同的降解行为,对降解产物进行了FTIR和GC-MS分析.结果表明,单独电催化过程不同于其它2种过程,出现了醌类物质的大量累积;而在光助电催化氧化过程中,光催化氧化过程大大抑制了电催化氧化过程中累积的高毒性醌类物质.在2h内,光助电催化氧化过程是其它2种过程TOC去除率的1.56倍,产生了明显的协同作用.3种降解过程遵循相同的降解历程,都经历了产生醌类物质到低分子量有机酸的步骤.     

污水生物处理工艺低温下微生物种群结构

构建有针对性的运行控制策略是我国城市污水生物处理工艺冬季低水温条件下高效稳定运行的重要保证.以我国北方低温期（8~15℃）稳定运行的4个典型污水生物处理工艺为对象,利用高通量测序方法系统解析了活性污泥中的微生物群落及碳、氮、磷去除等关键功能种群结构,阐明了重要功能种群在低温影响下的动态变化及与污染物去除性能间关系,为控制策略的有效建立提供了坚实的科学数据基础.尽管存在着不同工艺形式,但结果表明低温期活性污泥均具有较为良好的种群丰富度,其中放线菌门（Actinobacteria）在低温期优势地位提升;关键功能种群中硝化种属Nitrosomonas受温度影响较大,而作为核心种群的反硝化种属则因分布广泛及多样性高,整体丰度受温度变化影响较小,工艺的反硝化性能仅与回流比具有相关性;Tetrasphaera在4个工艺中广泛存在但仅在厌氧/好氧交替条件下承担主要除磷功能;低温下4个工艺中多种丝状菌优势生长并诱发污泥膨胀,但对出水水质影响较小.     

珠江口典型河段内分泌干扰物的空间分布及风险评价

选择珠江口典型河段为研究对象,调查上覆水和沉积物中5种典型内分泌干扰物(EDCs)4-辛基酚(4-t-OP)、4-壬基酚(4-NP)、双酚A(BPA)、三氯生(TCS)和三氯卡班(TCC)的空间分布特征,并利用风险商值法(RQ)对其上覆水及沉积物进行风险评价.结果表明,5种EDCs在珠江河流上覆水和沉积物样品中均有检出,水体中4-t-OP、4-NP、BPA、TCC、TCS的水体质量浓度分别为:49.19~512.82、112.66~717.31、23.54~2189.88、1.90~120.99、1.51~54.75 ng·L~(-1).沉积物中4-t-OP、4-NP、BPA、TCC、TCS的沉积物质量分数分别为:56.60~1606.56、69.52~6524.35、18.55~522.45、1.54~179.66、0.71~130.92 ng·g-1.5种EDCs在沉积物和上覆水中的空间分布基本遵循上游到下游逐渐减少的趋势.4-t-OP、4-NP、BPA、TCC和TCS的风险商(RQ)在上覆水和沉积物中的范围分别为0.03~4.20和0.026~149.28.对生态健康产生极大压力.沉积物来源、粒度分布和有机质含量均对EDCs在沉积物中的富集有影响,且主要影响因素为沉积物有机质含量.     

磁性高分子复合水凝胶的制备及其对水中铜离子的吸附性能

以海藻酸钠和聚乙烯醇为骨架负载磁性纳米Fe_3O_4颗粒合成了两种磁性高分子复合水凝胶材料:一种是以Ca~(2+)交联制备的磁性海藻酸钙单网络水凝胶(SAPFe),另一种是以海藻酸钙和聚乙烯醇经循环冷冻解冻制成的磁性双网络水凝胶(DAPFe).利用SEM、FTIR、BET对合成的材料进行表征,并研究了SAPFe和DAPFe对Cu~(2+)的吸附性能.结果表明,DAPFe比表面积达89.01 m~2·g~(-1),平均孔径为2.2 nm,DAPFe比SAPFe具有更低的含水率、更高的交联程度、更发达的孔隙结构和更高的比表面积.DAPFe对Cu~(2+)的最大吸附量可达207.01 mg·g~(-1),远大于SAPFe(173.01 mg·g~(-1)).SAPFe和DAPFe对Cu~(2+)的吸附等温线均符合Langmuir模型,吸附动力学符合准二级吸附动力学模型.通过分析SAPFe和DAPFe吸附Cu~(2+)前后官能团的变化,发现磁性高分子复合水凝胶具有丰富的羧基和羟基功能性官能团,并通过与Cu~(2+)产生螯合作用实现去除.     

低密度聚乙烯(LDPE)膜对内分泌干扰物的动态富集研究

低密度聚乙烯膜(Low-Density Polyethylene,LDPE)在有机物原位被动采样中具有使用简便、耗用量少、成本低廉的优点,但在内分泌干扰物(Endocrine Disrupting Chemicals,EDCs)被动采集方面鲜见应用,有关其平衡分配系数(KLDPE)也不十分清楚.基于此,本文选取7种EDCs,包括双酚A(BPA)、壬基酚(4-NP)、辛基酚(4-t-OP)、雌酮(E1)、β17-雌二醇(E2)、三氯生(TCS)和三氯卡班(TCC),室内模拟LDPE原位动态富集过程,探究了环境因素(温度、pH)对LDPE富集效果的影响,并确定了不同EDCs在LDPE上的富集参数(KLDPE).研究发现,溶液温度升高可以加速LDPE膜对EDCs的吸附,在过低温度条件下(实验设置为4℃),EDCs较难达到膜-水分配平衡;溶液pH对于不同EDCs的影响不尽相同,这可能是因为不同pH条件下EDCs在溶液中形态差异明显,进而影响其在LDPE膜-水之间的分配平衡;7种EDCs的KLDPE实测值均低于各自的经验理论值,这主要由于经验理论值计算过程中未考虑达到分配平衡时有机物从LDPE膜上的解吸附过程,且只考虑了EDCs在膜-水两相之间的平衡.上述结果表明,为提高被动采样测定环境样品中EDCs的准确性,在尽量与实际条件相似的室内条件下获取KLDPE实测值是非常必要的.     

BiVO4-Cu2O/CuO双光电极自偏压光电催化降解苯酚研究

基于费米能级差,构建了以BiVO_4为光阳极,Cu_2O/CuO为光阴极的双光电极可见光响应光催化燃料电池体系,研究了该体系在不同氧化剂的辅助作用下光电催化降解苯酚的效率与动力学.结果表明,向该体系中投加H_2O_2可以显著促进苯酚的降解,且反应过程光电流稳定,铜溶出量低.详细探究了H_2O_2初始浓度、pH对降解的影响,结果表明在H_2O_2投加量为5 mmol·L~(-1),初始pH为3.5条件下利于苯酚降解,5 mg·L~(-1)的苯酚可在120 min内完全去除.顺磁共振和猝灭实验表明该体系的主要氧化物种为·OH、·O~-_2和光生空穴.该催化体系实现了苯酚在可见光下的高效催化降解.     

基于CT技术的巢湖沉积物孔隙结构三维重建的初步研究

为更好地了解分析沉积物孔隙结构特征,本文通过CT技术及相关软件,对巢湖沉积物孔隙结构进行了三维重建,展现了巢湖沉积物真实的三维孔隙结构,并以此为基础定量计算了孔隙度、孔隙连通性、曲率等沉积物孔隙结构参数.结果表明,巢湖表层沉积物孔隙度变化范围为0.28~0.75;曲率在2.83~9.31内变化,且在不同方向上表现出明显的差异性,Z方向上的较高曲率阻碍了孔隙水中的污染物扩散.沉积柱在垂直方向上,总体上随深度的增加,孔隙度减小,但在某些深度存在异常,可能是因为底栖动物活动或沉积条件变化.     

海河流域河流氮污染特征及其演变趋势

收集海河流域重点水功能区主要监测站点2000—2011年总氮(TN)、氨氮(NH+4-N)、硝氮(NO-3-N)、亚硝氮(NO-2-N)指标的历史数据,并且实测2009年350个样点的氮素指标,以探明海河流域河流氮污染特征及其演变趋势.结果表明,海河流域氮污染现状严重,2011年TN、NH+4-N、NO-3-N和NO-2-N的平均浓度分别为7.92、4.25、1.28、0.013 mg·L-1,TN、NH+4-N超地表水V类水质标准现象严重(2.0 mg·L-1),其中海河干流水系、北三河(北运河、潮白河、蓟运河)水系和子牙河水系污染较重.在空间尺度上,海河流域氮污染沿山区-平原方向呈现出明显逐渐上升的变化特征.在时间尺度上,TN与NH+4-N浓度变化均在2005年与2011年出现峰值,TN浓度与NH+4-N、NO-3-N、NO-2-N浓度呈现极显著正相关(p0.01),NH+4-N是海河流域氮污染的主要污染因子.2000—2011年,NH+4-N劣V类(2.0 mg·L-1)站点比例整体上表现为减少趋势,由2000年的28.87%降为2011年的17.56%,劣V类站点NH+4-N浓度均值由2000年的7.91 mg·L-1降为2011年的6.50mg·L-1.在海河流域中,黑龙港运东水系、子牙河水系河流NH+4-N污染较重,各年平均浓度均超过地表水V类水质标准,NH+4-N平均浓度呈现随年份逐渐降低的趋势.在海河流域氮污染整体表现为好转的趋势下,氮污染的现状仍然严峻,需加强控制.